硬件可靠性设计中的安全保护措施

1.PLC的安装

（1）PLC安装的一般性指导

PLC安装需要注意以下几方面：

1）在对PLC接线时要确保所有的电器符合国家和地区的电气标准。及时同地区的权威机构保持联系，以确定哪些标准符合你的特殊需要。

2）要正确地使用导线。

3）不要将连接器的螺钉拧得过紧。

4）尽可能使用短导线（最长500m屏蔽线，或300m非屏蔽线），导线要尽量成对使用，用一根中性或公共导线与一根热线或信号线相配对。

5）将交流线和大电流快速开关的直流线与小电流的信号线隔开。

6）正确地识别和划分PLC模块的接线端子。

7）针对闪电式浪涌，安装合适的浪涌抑制设备。

8）控制设备在不安全条件下可能会失灵，导致被控制设备的误操作。这样的误动作会导致严重的人身伤害和设备严重损坏。可以考虑使用独立于PLC的紧急停机功能、机电过载保护设备，或其他冗余保护。

（2）使用隔离电路时的接地与电路参考点指南

使用隔离电路时的接地与电路参考点应遵循以下几点：

1）应该为每一个安装电路选一个参考点（0V），这些不同的参考点可能会连在一起，这种连接可能会导致预想不到的电流，它们会导致逻辑错误或损坏电路。产生不同参考电动势的原因，经常是由于接地点在物理区域上被分隔的太远。当相距很远的设备被通信电缆或传感器连接起来的时候，由电缆线和地之间产生的电流就会流经整个电路。即使在很短的距离内，大型设备的负载电流也可以在其与地电动势之间产生变化，或者通过电磁作用直接产生不可预知的电流。那些没有正确选定参考点的电源，相互之间的电路中有可能产生毁灭性的电流，以致破坏设备。

2）当把几个具有不同电位的CPU连到一个PPI网络时，应该采用隔离的RS-485中继器。

PLC产品已在特定点上安装了隔离元件，以防止安装中有不期望的电流产生。如果打算安装，应考虑哪些地方有这些隔离元件，哪些地方没有。同时也应考虑到相关电源之间的隔离以及其他设备的隔离，还有相关电源的参考点都在什么地方。

3）最好选择一个接地参考点，并且用隔离元件来破坏可能产生不可预知电流的、无用的电流回路。在暂时性连接中可能引入新的电路参考点，比如编程设备与CPU连接的时候。

4）在现场接地时，一定要随时注意接地的安全性，并且要正确地操作隔离保护设备。

5）在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制效果。

（3）S7-300隔离特性

S7-300隔离特性如下：

1）CPU逻辑参考点与DC传感器提供的M点类似。

2）CPU逻辑参考点与采用DC电源供电的CPU输入电源提供的M点类似。

3）CPU通信端口与CPU逻辑口（DP口除外），具有同样的参考点。

4）模拟输入及输出与CPU逻辑不隔离，模拟输入采用差动输入并提供低压公共模式的滤波电路。

5）逻辑电路与地之间的隔离为AC 500V。

6）DC数字输入和输出与CPU逻辑之间的隔离为AC 500V。

7）DC数字I/O组的点之间隔离为AC 500V。

8）继电器输出、AC输出和输入与CPU逻辑之间的隔离为AC 1500V。

9）继电器输出组的点之间隔离为AC 1500V。

10）AC电源线和零线与地、CPU逻辑以及所有的I/O之间的隔离为AC 1500V。

2.电源的安装

（1）交流输入PLC的安装

AC交流接线安装时的一般性指南如下。

1）用一个单刀开关将电源与CPU、所有的输入电路和输出（负载）电路隔离。

2）用一台过电流保护设备保护CPU的电源、输出点以及输入点。也可以为每个输出点加上熔丝进行范围更广的保护。

3）将S7-300的所有地线端子和最近接地点相连接，以获得最好的抗干扰能力。建议使用1.50mm²的电线连接到独立导电点上（也称为一点接地）。

4）本机单元的直流传感器电源可用作本机单元的输入和扩展DC输入以及扩展继电器线圈供电，这一传感器电源具有短路保护功能。

5）在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制效果。(www.xing528.com)

（2）直流输入PLC的安装

DC隔离安装接线的一般性指南如下。

1）用一个单刀开关将电源同CPU、所有的输入电路和输出（负载）电路隔离开。

2）用过电流保护设备保护CPU电源、输出点以及输入点。也可以在每个输出点加上熔丝进行过电流防护。

3）确保DC电源有足够的抗冲击能力，以保证在负载突变时，可以维持一个稳定的电压，这时需要一个外部电容。

4）在大部分的应用中，把所有的DC电源接到地可以得到最佳的噪声抑制效果。在未接地DC电源的公共端与保护地之间接以电阻与电容并联电路。电阻提供了静电释放通路，电容提供了高频噪声通路，它的典型值是4700pF。

5）DC 24V电源回路与设备之间，以及AC120/230V电源与危险环境之间，必须提供安全电气隔离。

3.抑制电路的使用

（1）抑制电路使用的一般性指导

在感性负载中要加入抑制电路，以抑制在关闭电源时电压的升高。可以采用下面的方法来设计具体的抑制电路。设计的有效性取决于实际的应用，因此必须调整参数以适应具体的应用。要保护所有的器件参数与实际应用相符合。

（2）继电器输出模块的保护

对继电器输出模块的保护主要有两个方面：一个方面是对继电器触点的保护，使电感在断电时不会产生高压加到继电器的触点；另一个方面是对电源的保护，使为继电器提供电压的电源不受高电压的冲击。抑制高电压的主要办法是在感性负载两端并联RC吸收电路，对交流电源除了用RC电路吸收之外，还可以并联电阻以消除电压冲击。

4.保护电路

PLC输出电路中没有保护，因此在外部电路中可以设置串联熔断器等保护装置，以防止负载短路造成PLC损坏。

（1）限位保护

对有些快速动作的机械设备不仅要有行程开关限位，还要有极限限位保护。限位保护可以由电子限位开关、机械限位开关和机械挡板等组成，如图8-4所示。

图8-4 限位保护

（2）急停保护

急停保护是用来应付突发故障时，避免导致更大事故的措施。

（3）联锁保护

在硬件设计中要考虑到有些可移动设备的联锁问题。比如电动机的正转和反转接触器之间要有互锁保护。液压系统中双向电磁阀也要有互锁保护。互锁的作用是使得两个相反动作的设备不会同时动作。常用的办法是将两个设备的常闭触点相互串联，使用联锁开关等。

5.系统接地设计

在实际的控制系统设计中，接地设计是抑制信号干扰、确保系统可靠工作的主要方法。所以，通常要单独设计PLC的接地系统。

在PLC组成的控制系统中，主要有以下几种地线：

1）数字地：这是各种数字量信号的零电位，也称为逻辑地。

2）模拟地：这是各种模拟量信号的零电位。

3）交流地：交流电源的地线，通常也是产生干扰和噪声的地。

4）直流地：直流电源的地线。

5）屏蔽地：这是为防止静电感应和磁场感应而设置的地。

（1）保护接地

保护接地指的是接大地，可采用不小于10mm²的保护铜导线接好配电板的保护地。相邻的控制柜也应良好接触并与地可靠连接，并尽可能短地与UPS电源、系统地线连接。同时要做好防雷保护接地，通常可采取总线电缆使用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地，或模拟信号电缆采取两层屏蔽，外层屏蔽两端接地等措施。另外，为防止感应雷电进入系统，可采用浪涌吸收器。

（2）工作接地

工作接地包括信号回路接地和屏蔽接地。

1）在PLC控制系统中，非隔离信号需要有一个统一的信号参考点，并且进行信号回路接地。信号回路接地通常使用直流电源负极。

2）为防止静电感应和磁场感应而设置的屏蔽接地端子，应做屏蔽接地。

6.使用环境

应合理布置PLC的使用环境，提高系统的抗干扰能力。具体采取的措施有：远离高压柜、高频设备、动力屏柜以及高压线或大电流动力装置；通信电缆和模拟信号电缆尽量不与其他的屏柜或设备共用电缆沟；PLC柜内不用荧光灯等。另外，PLC虽适合工业现场，但使用中也应尽量避免直接震动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等；不要在有腐蚀性气体、灰尘过多、发热体附近应用；避免导电性杂物进入控制器。